王振榮，程久龍，宋立兵，滕 飛，李 果，楊茂林，陳永亮

(1.國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 神木 719315；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；3.吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長春 130061)

0 引 言

地空時(shí)間域電磁系統(tǒng)起源于20世紀(jì)70年代，采用接地電性源作為激勵(lì)源，采用懸于空中的感應(yīng)線圈作為接收器，是一種基于航空電磁法的TURAIR系統(tǒng)。這種地面激發(fā)、空中接收的方法通常稱之為半航空電磁法[1]。20世紀(jì)90年代初，為解決探測深度的限制，Elliott研制了航空平臺和地表回線結(jié)合的固定回路航空瞬變電磁(FLAIRTEM)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在起伏地形下的深部地下探測[2]，并于1998年對上述系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)[3]。同年，Mogi等設(shè)計(jì)了接地源型航空瞬變電磁(GREATEM)系統(tǒng)[4]，對深部金屬礦藏和地?zé)豳Y源進(jìn)行勘探，證實(shí)了地空電磁系統(tǒng)適用于起伏地形，并于2014年完善了該系統(tǒng)，成功地將地空時(shí)間域電磁法應(yīng)用于日本東南部九十九里濱地區(qū)淺海域的地質(zhì)調(diào)查[5]。2017年，Li等采用地空時(shí)間域電磁系統(tǒng)在江蘇省燕尾港地區(qū)進(jìn)行了海水入侵的調(diào)查[6]。地空探測系統(tǒng)研究不斷發(fā)展的同時(shí)，相關(guān)的電磁數(shù)據(jù)處理研究也在進(jìn)行。Wang等采用10層小波分解的Sym8小波進(jìn)行基線漂移校正，消除基線漂移對反演結(jié)果的影響[7]。李肅義等根據(jù)地空電磁信號的特點(diǎn)，基于小波多分辨率分析原理，利用小波高尺度近似分量估計(jì)基線漂移，用于校正電磁數(shù)據(jù)[8]。李貅等開展了電性源瞬變電磁逆合成孔徑成像方法研究[9]。隨后，張瑩瑩等結(jié)合微分電導(dǎo)和相關(guān)疊加合成算法，提出了多輻射場源地空瞬變電磁快速成像解釋方法[10]。趙涵等則利用OCCAM反演方法實(shí)現(xiàn)了多輻射場源地空瞬變電磁一維反演[11]。張向陽等提出了基于移動窗口的均值濾波算法來處理地空瞬變電磁數(shù)據(jù)的基線漂移現(xiàn)象[12]。

地下采空區(qū)的存在極易引起地層塌陷、礦井突水等地質(zhì)災(zāi)害，不僅給煤炭生產(chǎn)帶來重大損失，也嚴(yán)重威脅人員生命安全[13]。陜西神木地區(qū)哈拉溝煤礦三盤區(qū)主采2-2煤層的埋深基本不超過100 m。受附近原小煤礦越界開采影響，局部可能已形成積水采空區(qū)，為保證煤層能夠進(jìn)一步安全采掘，需要準(zhǔn)確查明積水采空區(qū)的分布情況。由于本次煤礦采空區(qū)勘查工作要求時(shí)間周期短、分辨率高，而勘查區(qū)內(nèi)覆蓋大面積果園、青苗以及鐵網(wǎng)，不適合地面密集探測，所以選用施工效率高、抗干擾能力強(qiáng)的地空時(shí)間域電磁系統(tǒng)進(jìn)行勘探。本文首先介紹地空時(shí)間域電磁系統(tǒng)的探測原理、數(shù)據(jù)處理和解釋流程等，再結(jié)合已知地質(zhì)資料與鉆孔資料，對地空探測結(jié)果進(jìn)行對比分析與解釋，最后準(zhǔn)確圈定勘查區(qū)內(nèi)地下含水采空區(qū)的分布范圍，為礦井采掘接續(xù)工作和水害防治提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)。

1 勘查區(qū)地質(zhì)概況及地球物理特征

哈拉溝煤礦位于陜西省神木市西北方向直線距離約55 km處的烏蘭木倫河?xùn)|北側(cè)。本次勘查區(qū)位于烏蘭木倫河?xùn)|岸，區(qū)內(nèi)地層大部分被第四系松散沉積物所覆蓋，僅在烏蘭木倫河沿岸有基巖出露。井田地層由老至新依次為上三疊統(tǒng)永坪組(T3y)、中—下侏羅統(tǒng)延安組(J1-2y)、中侏羅統(tǒng)直羅組(J2z)、新近系上新統(tǒng)三趾馬紅土(N2)及第四系(Q)。區(qū)內(nèi)無大型斷層，地質(zhì)構(gòu)造簡單。

依據(jù)地下水的賦存條件和水力特征，將礦區(qū)含水層分為新生界松散層孔隙潛水，中生界碎屑巖裂隙潛水、承壓水以及燒變巖裂隙孔隙潛水。潛水接受大氣降水補(bǔ)給，承壓水接受區(qū)域側(cè)向補(bǔ)給和淺層水越流補(bǔ)給。地下水徑流主要受地形地貌以及地質(zhì)構(gòu)造的控制，總體流向是由西北往東南方向?？辈閰^(qū)內(nèi)發(fā)育的裂隙孔隙構(gòu)造為煤礦采空區(qū)積水提供了良好的發(fā)育條件。

巖層在致密完整的情況下的電阻率相對較高，如果發(fā)育有煤礦積水采空區(qū)或采空巷道，該范圍內(nèi)的導(dǎo)電性會顯著增強(qiáng)，使得該區(qū)域與周圍介質(zhì)產(chǎn)生明顯的電阻率差異，形成低阻異常體，且電阻率的大小隨巖性和富水性程度而變化，這正是地空時(shí)間域電磁系統(tǒng)探測煤礦積水采空區(qū)的地球物理前提。

2 探測原理

地空時(shí)間域電磁法(Ground-airborne Time Domain Electromagnetic Method，GATDEM)，又稱為半航空電磁法，是繼地面電磁法、航空電磁法之后一種新的電磁探測方法。其原理如圖1所示，采用鋪設(shè)在地面的接地長導(dǎo)線作為發(fā)射源，并向其中通以電流建立一次場，在電流關(guān)斷后，利用搭載在飛行器上的接收傳感器觀測垂直方向感應(yīng)電磁場，實(shí)際觀測的大部分是垂直磁場隨時(shí)間的變化率。最后通過數(shù)據(jù)處理，獲取隨時(shí)間變化的視電阻率曲線以及隨深度變化的地下電性結(jié)構(gòu)分布[14-15]，早期的視電阻率對應(yīng)淺部地質(zhì)電性信息，晚期的視電阻率對應(yīng)深部信息。地空時(shí)間域電磁法適用于中淺層的低阻異?？碧?20～500 m)，不僅具有地空時(shí)間域電磁法數(shù)據(jù)信噪比高、探測深度大等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具有航空時(shí)間域電磁法工作效率高的優(yōu)勢，特別適用于中國山地、森林覆蓋區(qū)、沼澤等地面難以進(jìn)入的地區(qū)開展資源的非接觸快速探測工作[16-17]。

圖1 地空時(shí)間域電磁法探測原理示意圖

3 系統(tǒng)簡介及數(shù)據(jù)分析方法

3.1 系統(tǒng)簡介

對煤礦采空區(qū)勘查選用JL-GAEM型多功能地空電磁探測系統(tǒng)，其包括地面發(fā)射系統(tǒng)和機(jī)載時(shí)頻域電磁一體式接收系統(tǒng)兩部分。地面發(fā)射系統(tǒng)如圖2所示，電源車內(nèi)部集成包括發(fā)電機(jī)等全部發(fā)射系統(tǒng)模塊，發(fā)射系統(tǒng)通過編碼可實(shí)現(xiàn)時(shí)間域或頻率域模式的激勵(lì)信號發(fā)射。機(jī)載時(shí)頻域電磁一體式接收系統(tǒng)包括空心線圈感應(yīng)傳感器、多通道接收機(jī)和地面檢測站3個(gè)部分。該接收系統(tǒng)基于GPS同步觸發(fā)，可遠(yuǎn)程控制時(shí)間域與頻率域接收的切換，具有低噪聲、低功耗、高精度等優(yōu)勢。本次探測選用的是基于旋翼無人機(jī)的單分量地空電磁信號接收系統(tǒng)(圖3)，其中空心線圈感應(yīng)傳感器本地噪聲低于10 nV·Hz-1/2。

圖2 地面發(fā)射系統(tǒng)

圖3 基于旋翼無人機(jī)的單分量地空電磁信號接收系統(tǒng)

3.2 數(shù)據(jù)采集

測點(diǎn)布置如圖4所示，勘查區(qū)實(shí)際地空電磁探測面積為0.66 km2，近似SN向布置測線23條，線距30 m，點(diǎn)距5 m，有效物理測點(diǎn)4 580個(gè)，檢查點(diǎn)627個(gè)，合計(jì)總物理測點(diǎn)5 207個(gè)。

圖4 測點(diǎn)布置示意圖

根據(jù)勘查區(qū)以往地面瞬變電磁探測結(jié)果以及探測需求，地面布設(shè)導(dǎo)線源長度為1 200 m，發(fā)射波形為12.5 Hz頻率的雙極性方波，發(fā)射電流30 A，空中接收線圈等效面積為2 160 m2，采樣頻率為33 kHz。具體儀器采集參數(shù)如表1所示。圖5為發(fā)射機(jī)發(fā)射電流波形圖。

表1 儀器采集參數(shù)

電流信號的頻率為12.5 Hz

3.3 數(shù)據(jù)處理與解釋

地空時(shí)間域電磁探測數(shù)據(jù)處理與解釋主要過程如圖6所示，具體包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、求取地電參數(shù)、視電阻率-視深度成像以及地質(zhì)解釋。

圖6 數(shù)據(jù)處理及解釋流程

(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理：進(jìn)行數(shù)據(jù)截取、評價(jià)和疊加；噪聲處理和基線校正；時(shí)間域信號數(shù)據(jù)的抽道。

(2)求取地電參數(shù)：將獲得的綜合疊加信號轉(zhuǎn)換成隨時(shí)間變化的視電阻率曲線。

(3)視電阻率-視深度成像：對視電阻率曲線進(jìn)行濾波、壓制干擾等處理，并根據(jù)已知的測井資料，分析勘查區(qū)電性相對變化規(guī)律，初步了解剖面地質(zhì)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行視電阻率-視深度成像。

(4)地質(zhì)解釋：依據(jù)視電阻率測井曲線、其他物探信息和巖石物性信息等，對視電阻率-視深度斷面進(jìn)行標(biāo)定及地質(zhì)層位劃分。結(jié)合先驗(yàn)資料，通過對異常值的追蹤與對比，對探測結(jié)果進(jìn)行綜合地質(zhì)解釋。

3.4 視電阻率和視深度計(jì)算

均勻半空間條件下，電偶極子激發(fā)的垂直磁場響應(yīng)計(jì)算公式[18]為

(1)

將多個(gè)電偶極子的響應(yīng)進(jìn)行疊加，即可得到接地長導(dǎo)線源沿垂直方向電磁響應(yīng)值。

記t0為發(fā)射的關(guān)斷時(shí)間，μ為地下介質(zhì)磁導(dǎo)率，結(jié)合式(1)可得電磁場擴(kuò)散深度δ(t)，其表達(dá)式為

(2)

結(jié)合式(1)和(2)即可求取需要的視電阻率和視深度進(jìn)行繪圖。

4 結(jié)果分析

為了查明陜西神木地區(qū)哈拉溝煤礦采空區(qū)情況，對23條測線的地空探測信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到勘查區(qū)內(nèi)地下視電阻率分布。圖7、8給出了部分測線的噪聲處理前、后觀測數(shù)據(jù)0.192～26.000 ms的電壓多測道圖(不同顏色曲線代表不同延時(shí))。圖9給出了對應(yīng)測線的視電阻率剖面，揭示了L6、L7和L8等3條測線在地下300 m范圍內(nèi)的地電結(jié)構(gòu)分布情況，圖例顯示該區(qū)域內(nèi)視電阻率范圍為8～168 Ω·m。從圖9可以看出，勘查區(qū)內(nèi)橫向電阻率變化不連續(xù)，3條測線視電阻率隨探測深度增加均呈現(xiàn)近似“高→低→高”的特征。圖9中,地下100 m深度的黑線標(biāo)示為2-2下煤層，且3條測線均在煤層附近局部區(qū)域出現(xiàn)相對低阻，分布深度分別為L6測線地下320～490 m，L7測線地下200～420 m，L8測線地下170～420 m；這些低阻帶在空間上具備連續(xù)貫通性，可能為地下積水采空區(qū)的發(fā)育位置。結(jié)合鉆孔資料進(jìn)行綜合分析，結(jié)果表明：4#鉆孔在L8測線地下230 m處，鉆孔至2-2下煤層位出現(xiàn)積水采空區(qū)，與L8測線低阻異常相對應(yīng)，探測結(jié)果與實(shí)際情況吻合；1#鉆孔在L7測線地下620 m處，孔深為88 m，從鉆孔巖性柱狀圖(圖10)可以看出，地層由淺至深總體表現(xiàn)為由風(fēng)積砂到粉砂巖，再到泥質(zhì)膠結(jié)型粉砂巖的變化，且深部水平層理發(fā)育，地層電阻率逐漸降低。從已有地質(zhì)資料可知，勘查區(qū)除采空區(qū)外，還存在采空巷道，因此，推測L7測線在地下550～650 m處的弱低阻異常可能為采空巷道引起的煤層底板巖層含水所致。

圖7 L6～L8測線噪聲處理前觀測數(shù)據(jù)多測道圖

圖8 L6～L8測線噪聲處理后觀測數(shù)據(jù)多測道圖

圖9 L6～L8測線視電阻率剖面

圖10 1#鉆孔巖性柱狀圖

圖12 地下90 m處視電阻率切片

圖13 地下120 m處視電阻率切片

圖14 地下150 m處視電阻率切片

結(jié)合煤礦地質(zhì)資料，分別抽取勘查區(qū)內(nèi)深度范圍為60～150 m、間隔為30 m的視電阻率切片(圖11～14)。視電阻率高低主要受地層巖性和含水率等因素的影響。圖11～14中藍(lán)色位置反映該處為相對低阻異常，推測可能是煤層的采空區(qū)充水引起，并且視電阻率越低，表明地層富水程度越高。由圖11～14可以看出，勘查區(qū)整體上東側(cè)的視電阻率較高，西側(cè)的視電阻率值偏低，特別是西側(cè)中部區(qū)域的視電阻率相對低阻明顯且范圍較大，沿深度方向也有一定的延伸，推測是由積水采空區(qū)引起的異常反映可能性較大。

為更加清晰地反映采空區(qū)的平面范圍，將地空時(shí)間域電磁系統(tǒng)沿哈拉溝煤礦2-2下煤層深度的異常區(qū)圈定結(jié)果投影到測點(diǎn)布置圖中。全區(qū)共圈定8處低阻異常，包括5處相對低阻異常區(qū)域(深藍(lán)色圈定區(qū)域)和3處相對弱低阻異常區(qū)域(淺藍(lán)色圈定區(qū)域)(圖15)。由于L8測線地下250 m處低阻異常已經(jīng)被證實(shí)為采空積水區(qū)，而其他4處相對低阻異常區(qū)與其視電阻率值一致(圖11～14)且范圍較大，所以也推斷為煤層積水采空區(qū)，但剩余3處相對弱低阻異常區(qū)范圍小，連續(xù)性差，推測由積水采空區(qū)引起的可能性小。

圖15 勘查區(qū)低阻異常圈定范圍

5 結(jié) 語

(1)利用地空時(shí)間域電磁系統(tǒng)，通過在地面布設(shè)長導(dǎo)線源、空中無人機(jī)采集信號的工作方式，獲取了陜西神木地區(qū)哈拉溝煤礦三盤區(qū)原小煤礦地下積水采空區(qū)勘查中的地空時(shí)間域電磁響應(yīng)數(shù)據(jù)。

(2)通過對地下300 m深度內(nèi)的視電阻率特征分析，獲取了勘查區(qū)地下電性結(jié)構(gòu)的特性，準(zhǔn)確圈定了勘查區(qū)疑似積水采空區(qū)范圍。

(3)對比地空時(shí)間域電磁勘查結(jié)果與鉆孔資料，驗(yàn)證了地空時(shí)間域電磁系統(tǒng)在采空區(qū)勘查應(yīng)用中的可行性與高效性，為地層結(jié)構(gòu)分析以及煤礦水害防治提供了有效的指導(dǎo)信息。